流体力学与造船

船，人类最早的运输工具之一。它连接了七大洲，把文明传向世界。在科学知识的海洋里，我们乘坐探索之船，向那片未知的水域驶近。浮体的平衡船舶正常的行驶情况是漂浮于水面，在此情况下船身要受到向上的浮力和向下的重力。船身保持平衡的条件由物体的平衡条件——受到的力大小相等且方向相反——我们可以得到船身（浮体）的平衡条件：（1）重力与浮力大小相等且方向相反；（2）重力与浮力的作用点在同一条铅垂线上。浮体的稳定（1）由于船舶的载重一般在水平面上，所以船舶的重心一般位于浮心以上。如果重心与浮心重合，船舶在受到外力作用的时候就会偏转一个角度，使浮心离开重心而产生一个能使船舶恢复到原来位置的力矩（复原力矩）。浮体的稳定（2）有时候，在船舶所受到的外力消除之后，却产生了一个使其继续转动的力矩，结果将使物体翻倒，不再恢复原位。这种情况一般发生在船舶的重心与浮心重合的情况下。所以，为了安全，船舶的重心应尽量保持在浮心之上。对船的稳性的讨论分为小倾角稳性（10至15度）和大倾角稳性（15度以上）两种情况。前者主要由横稳性高GM决定。对后者来说，若装载状态一定，则复原力臂仅随倾角变化，这种情况下的曲线被称为静稳性曲线。小倾角稳性如图e所示，静稳曲线如图f。船舶稳性的讨论航行中的意外情况船舶在航行时不可能一帆风顺，经常会有意外情况发生。因此，在设计船的时侯，就要考虑船在破损时保持平稳、安全状态的能力。船舱进水时，船重增加了，船身就要下沉，吃水增加。当增加吃水所获得的浮力等于淹进水的重量时，船就不再下沉，达到平衡状态。此时的船舶不但吃水增加了，而且可能产生倾斜。水密舱壁针对船舶航行时可能出现的意外情况，专家们设计了水密舱壁（图g）。在船破损时它可将水限制在一定范围内而不至于蔓延到全船。干弦另外一种抗沉设施叫做干弦（图h）。它可以保证在船吃水增加时，不至于使水满过水密甲板。船舶在水面航行时，船体在水和空气两种流体介质中运动，受到水和空气对船体的反作用，这种与船舶运动方向相反的流体作用力称为船舶阻力。总阻力分为水阻力和空气阻力，水阻力又分为静水阻力和汹涛阻力，静水阻力又分为裸体阻力和附体阻力。船舶航行时所受的总阻力主要是由兴波阻力，摩擦阻力和粘压阻力三者组成的。船舶阻力的分类摩擦阻力、船舶在静水中航行时，由于粘性作用，带动一部分水一起运动，在此过程中船体将不断供给这部分水质点以能量，因此产生摩擦阻力。其成因如图j。船舶阻力的成因船航行时周围水面产生波浪，它改变了船体湿表面的压力分布情况，形成首尾流体动压力差，这种阻力称为兴波阻力。如图k和图l。兴波阻力及成因在船体曲度改变处常会产生漩涡，漩涡处的水压下降，因而改变了沿船体湿表面的压力分布情况。这种由船体前后压力部队称而产生的阻力称为粘压阻力，如图。尖瘦型物体的粘压阻力比短肥型的要小，因此造船时常要考虑船型因素。粘压阻力及成因船体的变形趋势事实上，在船的航行过程中，各部分受力并不平衡，下图表示了航行时船体的变形趋势。航行中的船形变化船弦侧的设计船的弦侧指船舶主体两舷的侧壁结构。它承受着各种挤压力的作用，为了克服这些力的作用，弦侧的上端与甲板、下端与船底应牢固地连接形成一个坚固的构架，以便相互支持，相互传递作用力，保证船的强度和刚性。舱壁的设计舱壁是将船内空间分隔成舱室的竖壁，是保证船体强度和刚性的重要结构。船舶根据需要设计若干水密舱壁，油舱和水舱用纵舱壁分离，这样就能起到限制液体摇荡的作用，减小自由液面对船舶稳定性的影响。船是一种古老又神奇的工具，我们通过研究学习掌握了关于流体力学与船舶设计的一些简单知识，我们的积累还远远不够，在以后的日子里，我们会继续将这个话题继续下去，让我们的船向更远处航行。研究小组成员：王蕊佳滕晨陈溪卞疆参考资料：《舰船的故事》《流体力学基础》《船舶原理与结构》《中国大百科全书》制作日期：2000年11月